申请日 2016.12.29
公开(公告)日 2017.05.31
IPC分类号 C02F9/14; H01M8/16; C02F101/30
摘要
本发明公开了一种基于排阵型湿地微生物燃料电池供电的电芬顿污水处理系统及处理方法。系统包括：用于对污水进行预处理的纳米铁碳微电解反应区;用于对纳米铁碳微电解反应区出水进行处理的电芬顿系统反应区;用于对电芬顿系统反应区出水进行处理并对其进行供电的排阵型湿地微生物燃料电池;其中，所述的排阵型湿地微生物燃料电池为多个湿地微生物燃料电池相连形成的湿地微生物燃料电池组;湿地微生物燃料电池组的阴极、阳极分别通过导线与电芬顿系统反应区的对应的阳极、阴极连接。本发明还提供了污水处理方法。本发明通过整个系统的联合作用强化降解效果，无需外加能源，也无需投加药剂，是一种节能环保的水处理技术。
权利要求书
1.一种基于排阵型湿地微生物燃料电池供电的电芬顿污水处理系统，其特征在于，包括：
用于对污水进行预处理的纳米铁碳微电解反应区(1);
用于对纳米铁碳微电解反应区出水进行处理的电芬顿系统反应区(2);
用于电芬顿系统反应区出水进行处理并对其进行供电的排阵型湿地微生物燃料电池(3);
所述的纳米铁碳微电解反应区、电芬顿反应区、排阵型湿地微生物燃料电池依次相连;其中，所述的排阵型湿地微生物燃料电池为通过将多个湿地微生物燃料电池(301)相连形成的湿地微生物燃料电池组;湿地微生物燃料电池组的阴极、阳极分别通过导线与电芬顿系统反应区的对应的阳极、阴极连接。
2.根据权利要求1所述的基于排阵型湿地微生物燃料电池供电的电芬顿污水处理系统，其特征在于，所述的湿地微生物燃料电池组中，通过将湿地微生物燃料电池排阵成M排N列，其中M≥2，N≥2，同一排的湿地微生物燃料电池通过导线并联形成湿地微生物燃料电池子组，所有的湿地微生物燃料电池子组通过导线串联形成所述的湿地微生物燃料电池组。
3.根据权利要求2所述的基于排阵型湿地微生物燃料电池供电的电芬顿污水处理系统，其特征在于，通过隔排串联的方式用导线将所有的湿地微生物燃料电池子组连接形成所述的湿地微生物燃料电池组。
4.根据权利要求1所述的基于排阵型湿地微生物燃料电池供电的电芬顿污水处理系统，其特征在于，所述电芬顿系统反应区的出水通过多条进水通路流入排阵型湿地微生物燃料电池，每条进水通路流经的湿地微生物燃料电池个数不超过12个。
5.根据权利要求1所述的基于排阵型湿地微生物燃料电池供电的电芬顿污水处理系统，其特征在于，所述纳米铁碳微电解反应区(1)与电芬顿反应区(2)之间设有集水池(4)，所述纳米铁碳微电解反应区的底部带有进水口(105)，顶部带有向所述集水池内跌水的出水口，所述电芬顿反应区的底部带有与所述集水池连通的水流进口(201)。
6.根据权利要求5所述的基于排阵型湿地微生物燃料电池供电的电芬顿污水处理系统，其特征在于，所述的纳米铁碳微电解反应区包括反应池体(101)，所述反应池体内通过布水板(102)分割成上下布置的填料区(103)和进水区(104)，所述的进水区带有进水口(105)，填料区填充有纳米铁碳微电解填料，所述填料区的顶部设有溢流堰(106)。
7.一种污水处理方法，其特征在于，包括：
(1)将污水通入纳米铁碳微电解反应区进行预处理;
(2)预处理后的出水通入电芬顿系统反应区进行处理;
(3)步骤(2)处理后的出水通入湿地微生物燃料电池进行降解，湿地微生物燃料电池产生的电能供给电芬顿系统反应区。
8.根据权利要求7所述的污水处理方法，其特征在于，湿地微生物燃料电池为多个，排阵成M排N列，其中M≥2，N≥2，同一排的湿地微生物燃料电池通过导线并联形成湿地微生物燃料电池子组，所有的湿地微生物燃料电池子组通过导线串联形成湿地微生物燃料电池组。
9.根据权利要求7所述的污水处理方法，其特征在于，所述电芬顿系统反应区的出水通过多点进水方式进入排阵型湿地微生物燃料电池，每条水路流经的湿地微生物燃料电池个数不超过12个。
10.根据权利要求7所述的污水处理方法，其特征在于，纳米铁碳微电解反应区的出水经跌落后进入电芬顿系统反应区，采用跌水曝气的方式为水体充氧。
说明书
基于排阵型湿地微生物燃料电池供电的电芬顿污水处理系统及处理方法
技术领域
本发明属于水污染控制与水处理技术领域，具体涉及一种基于排阵型湿地微生物燃料电池高效供电的电芬顿水处理系统及方法。
背景技术
染料废水具有成分复杂、色度深、含盐量高、难生化降解的特点，对公共卫生安全造成威胁，其环境安全效应越来越受到关注，对其处理工艺的研究也成为急需解决的问题。生物电芬顿法通过外加电能提供给电芬顿系统原位生成H2O2和Fe2+对难降解的染料分子进行氧化，提高废水可生化性。
有研究表明纳米铁碳微电解技术可以实现对大分子有机物的断链、发色与助色基团的脱色还原，可以有效提高废水的可生化性，但其对难降解有机物处理不彻底。同时相比传统的铁碳微电解工艺相比，纳米铁碳微电解技术可以有效地解决铁碳微电解过程中系统容易板结，处理效率下降的问题。
芬顿技术对难降解污染物的处理效果较好，但需要消耗大量Fe2+和H2O2成本较高。生物电芬顿法作为一种高效的水处理技术成为当今水处理技术领域的研究热点。与现有的其它酸性染料废水处理工艺相比，生物电芬顿法可用于处理COD和盐含量较高的毒性废水。有研究表明，运用生物电芬顿方法处理酸性染料废水，其优势主要体现在以下方面：环境友好、设备简易、自动化程度高。电芬顿系统以电化学反应产生的Fe2+和H2O2作为芬顿试剂的持续来源(2)电解过程中产生的具有强氧化性的·OH有助于打破酸性染料大分子的环状结构，提高酸性染料废水的可生化性。(3)反应条件容易控制，一般在常温条件下即可完成，可以单独处理也可以耦合其它处理工艺可操作性强。但是生物电芬顿系统需要消耗大量电能，这限制了生物电化学系统的实际应用。
人工湿地对于废水的处理能力已经得到确定，将人工湿地与微生物燃料电池耦合，充分利用人工湿地和微生物燃料电池各自的特点，进一步提高湿地的污水处理能力，不仅可以用于净化污水，同时可以收获电能供给其它工艺单元用电。但是目前人工湿地-微生物燃料电池存在内阻较大，输出电压和功率较低的缺陷，如何进一步提高电池的输出电压，提高其实用化性能还需要进一步探索。
目前还未有将以上技术有机结合起来的报道。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术存在的缺陷及不足，针对现有处理酸性染料废水存在的问题，本发明提供了一种基于排阵型湿地微生物燃料电池供电的电芬顿污水处理系统及处理方法，充分利用铁碳微电解-电芬顿系统提高废水的可生化性能，从而提高人工湿地微生物燃料电池的产电性能，并通过将人工湿地微生物燃料电池进行串并联提高输出电压供给电芬顿系统，并进一步进化水质，最终提高酸性染料的降解效果。
技术方案：
本发明所述的基于排阵型湿地微生物燃料电池供电的电芬顿污水处理系统，包括：
用于对污水进行预处理的纳米铁碳微电解反应区;
用于对纳米铁碳微电解反应区出水进行处理的电芬顿系统反应区;
用于电芬顿系统反应区出水进行处理并对其进行供电的排阵型湿地微生物燃料电池;
所述的纳米铁碳微电解反应区、电芬顿反应区、排阵型湿地微生物燃料电池依次相连;其中，所述的排阵型湿地微生物燃料电池为通过将多个湿地微生物燃料电池相连形成的湿地微生物燃料电池组;湿地微生物燃料电池组的阴极、阳极分别通过导线与电芬顿系统反应区的对应的阳极、阴极连接。
上述多个湿地微生物燃料电池相连包括水路的连接以及电路的连接。
所述的湿地微生物燃料电池组中，通过将湿地微生物燃料电池排阵成M排N列，其中M≥2，N≥2，同一排的湿地微生物燃料电池通过导线并联形成湿地微生物燃料电池子组，所有的湿地微生物燃料电池子组通过导线串联形成所述的湿地微生物燃料电池组。进一步的，2≤M≤6，2≤N≤6。
优选的，通过隔排串联的方式用导线将所有的湿地微生物燃料电池子组连接形成所述的湿地微生物燃料电池组。
所述电芬顿系统反应区的出水通过多条进水通路流入排阵型湿地微生物燃料电池，每条进水通路流经的湿地微生物燃料电池个数不超过12个。
所述纳米铁碳微电解反应区与电芬顿反应区之间设有集水池，所述纳米铁碳微电解反应区的底部带有进水口，顶部带有向所述集水池内跌水的出水口，所述电芬顿反应区的底部带有与所述集水池连通的水流进口。
所述的纳米铁碳微电解反应区包括反应池体，所述反应池体内通过布水板分割成上下布置的填料区和进水区，所述的进水区带有进水口，填料区填充有纳米铁碳微电解填料，所述填料区的顶部设有溢流堰。
本发明还提供了一种污水处理方法，包括：
(1)将污水通入纳米铁碳微电解反应区进行预处理;
(2)预处理后的出水通入电芬顿系统反应区进行处理;
(3)步骤(2)处理后的出水通入湿地微生物燃料电池进行降解，湿地微生物燃料电池产生的电能供给电芬顿系统反应区。
污水处理方法中，湿地微生物燃料电池为多个，排阵成M排N列，其中M≥2，N≥2，同一排的湿地微生物燃料电池通过导线并联形成湿地微生物燃料电池子组，所有的湿地微生物燃料电池子组通过导线串联形成湿地微生物燃料电池组。
污水处理方法中，所述电芬顿系统反应区的出水通过多点进水方式进入排阵型湿地微生物燃料电池，每条水路流经的湿地微生物燃料电池个数不超过12个。
污水处理方法中，纳米铁碳微电解反应区的出水经跌落后进入电芬顿系统反应区，采用跌水曝气的方式为水体充氧。
本发明针对的污水为酸性废水，具体可以为含酸性染料的废水，如弱酸性艳蓝、RAW、酸性蒽醌蓝、酸性红B等，pH在4-6之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明将纳米铁碳微电解、电芬顿、湿地微生物燃料电池多种技术进行优化组合，突出整体效应。通过铁碳微电解-电芬顿系统组合工艺对弱酸性染料废水中有毒有害的污染物进行预处理，提高废水的可生化性强化排阵型湿地微生物燃料电池的产电性能，并利用排阵型湿地微生物燃料电池产生的电能为电芬顿系统供电，整个装置无需外加能量，也无需添加化学药剂，脱色、去除污染物效果良好，是一种节能的水处理技术。
本发明较传统的弱酸性染料废水处理工艺相比，纳米铁碳微电解和电芬顿系统组合工艺增强了染料废水的预处理效果大大提高了废水的可生化性能，且纳米铁碳微电解为电芬顿系统提供Fe2+来源，减少了传统铁碳微电解中填料板结问题。出水通过跌水曝气提供溶解氧，供给电芬顿系统，整个过程无需外界提供物质和能量。利用排阵型湿地微生物燃料电池起深度去除作用，系统整体的去除效果更优。
本发明将人工湿地微生物燃料电池进行串并联排阵，通过将同排电池并联有效防止了电池组的短路，通过将若干排电池串联大大提高了系统的输出电压。通过将电池的进出水相连接可以极大提高污染物的降解效率，获得深层净化的效果。
本发明中，排阵型湿地微生物燃料电池不仅对污染物的去除效果更好，而且可以产生电能。
本发明系统操作简单，人工费用低，可以实现自动化控制，适合处理含弱酸性染料的废水。
